Закон відбивання світла:

Падаючий і відбитий промені лежать в одній площині з перпендикуляром, проведеним до границі поділу середовищ в точці падіння; кут падіння α дорівнює куту відбивання .

Закон заломлення світла:

Падаючий і заломлений промені лежать в одній площині з перпендикуляром до границі поділу середовищ, проведеним в точку падіння; відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для двох даних середовищ є величиною сталою, що дорівнює відношенню швидкості світла в першому середовищі v₁ до швидкості світла в другому середовищі v₂ і яку називають відносним показником заломлення (n_відн.).

. (2)

Якщо світло падає із вакууму, де його швидкість с, у середовище із швидкостями v₁ і v₂, то їх абсолютний показник заломлення n₁ і n₂ є:

; (3)

. (4)

Поділимо формулу (4) на формулу (3):

. (5)

З урахуванням формули (5), рівняння (2) приймає вигляд:

(6)

Із формули (6) видно, що при v₂<v₁ (n₁<n₂), тобто при переході світла із оптично менш густого в оптично більш густе середовище, кут заломлення γ менший кута падіння α (γ<α).

Якщо ж v₂>v₁ і n₁>n₂, тобто при переході світла із оптично більш густого середовища в оптично менш густе, кут заломлення γ більший кута падіння α (γ>α) (рис. 14.2а).

Рис. 14.2.

В такому випадку при збільшенні кута падіння α зростає і кут заломлення γ (відношення синусів цих кутів повинно бути незмінним).

При деякому куті падіння α = А, кут заломлення стає рівним 90° (рис.14.2б), тобто світло розповсюджується вздовж границі середовищ і не попадає в інше середовище. Це явище називають повним внутрішнім відбиванням.

Найменший кут падіння α = А, при якому наступає повне внутрішнє відбивання світла називають граничним кутом падіння.

Із закону заломлення (2), коли α = А, а значить γ = 90°, маємо:

Оскільки sin 90° = 1, то:

sin A = n_відн. (7)

Таким чином, якщо експериментально визначити граничний кут падіння А, то знайшовши синус цього кута, отримуємо чисельне значення відносного показника заломлення. Це і використовують у рефрактометрах для визначення відносних показників заломлення різних рідин. Якщо розчини, в які переходить світло із повітря (скла), мають різні концентрації розчинених в них сухих речовин, то в них і різні швидкості v₂ розповсюдження світла, а значить і різні відносні показники заломлення n_відн.. Кожному значенню v₂ і n_відн. відповідає певне значення концентрації розчину. Тому за допомогою рефрактометра можна визначити не тільки відносний показник заломлення, а й концентрацію сухих речовин в розчині.

Основні складові конструкції рефрактометра

Рефрактометр – це оптичний прилад, призначений для вимірювання показника заломлення і концентрації сухих речовин в розчинах.

Принцип роботи рефрактометрів різної конструкції базується на явищі повного внутрішнього відбивання світла.

а б

Рис. 14.3.

1 – металевий корпус; 2 – маховик для усунення спектрального фарбування світлової границі; 3 – маховик для зміщення світлової границі; 4 – світлофільтр і дзеркало; 5 – окуляр; 6 – вимірювальна призма; 7 – вхідне вікно вимірювальної призми з дзеркалами; 8 – освітлювальна призма; 9 – вхідне вікно освітлювальної призми; 10 – рукоятка; 11 – гачок; 12 – заслонка; 13 – заслонка.

В даній роботі використовується рефрактометр ИРФ-454. Основні його вузли змонтовані в металевому корпусі 1 (рис. 14.3а). На бокових сторонах корпусу розміщені маховики 2,3, світлофільтр і дзеркало 4, а у верхній частині – окуляр 5. Рефрактометричний блок складається із нерухомої вимірювальної призми 6 із вхідним вікном 7 і рухомої освітлювальної призми 8 із вхідним вікном 9. Рукояткою 10 освітлювальну призму можна повернути на кут до 100˚, а гачком 11 вона притискується до вимірювальної призми 6. Вхідне вікно 7 закривається заслонкою 12, а вхідне вікно 9 – дзеркалом 13.

Рефрактометр розміщують на столі таким чином, щоб світло падало на вхідне вікно 9 освітлювальної призми 8 або на дзеркало 13, яким направляють світло на вхідне вікно 7 вимірювальної призми.

Шкала показників заломлення, яку спостерігають в окулярі 5, розрахована на температуру 20˚С. Якщо вимірювання проводяться при інших температурах, необхідно в результати вимірювання вносити поправки.